Das Wort „Kriechen“ ist nichts, was ein Ingenieur hören möchte, wenn er ein metallisches Wärmeleitmaterial (TIM) in den Aufbau seines Laserdiodenstapels integriert. Aber ist Kriechen wirklich ein Problem, und verstehen wir das Phänomen des Kriechens überhaupt richtig, wenn es um Indium geht? Die Antwort ist relativ. Im Anhang finden Sie ein von mir erstelltes Aufbau-Diagramm eines typischen Diodenstapels. Dabei könnte es sich um eine Laser- oder eine LED-Anwendung handeln. Die Die-Attach-Schicht besteht in der Regel aus einem Hochtemperaturlot oder einem silbergefüllten Epoxidharz. Kann Indium auf dieser Ebene verwendet werden? Die Antwort lautet ja, aber nur dann, wenn die Temperatur des Übergangs weit unter dem Schmelzpunkt von reinem Indium liegt, der bei 156 °C liegt. Weichlote sind genau das – sie sind weich –, und bei der Chipbefestigung haben einige Kunden Indium auf dieser Ebene verwendet, aber es ist bei weitem nicht so verbreitet wie andere Hochtemperaturlote wie AuSn, SAC-Legierungen oder SnAg. Silbergefüllte Epoxidharze werden zwar immer besser, doch gibt es einige Probleme hinsichtlich ihrer Leitfähigkeit und ihrer Verarbeitung. Bei der Verwendung von Lot als Chip-Befestigung kann der Chip selbst während des Reflow-Prozesses verrutschen oder sich verschieben. In diesem Fall kann eine Art Mechanismus eingesetzt werden, um ihn während des Reflow-Prozesses an Ort und Stelle zu halten und so eine perfekte Ausrichtung sicherzustellen. Um also die Frage zu beantworten: Lot kann in dieser Anwendung zur Chip-Befestigung verwendet werden, aber die gewählte Legierung entscheidet letztendlich darüber, wie effektiv und wie zuverlässig die Lösung ist.
Im Fall von TIM2 (Wärmeleitmaterial der Stufe 2) gibt es hier noch einige weitere Aspekte zu berücksichtigen. Nehmen wir zunächst an, dass wir auf dieser Ebene einen Reflow-Lötvorgang durchführen. Kupfer auf der Ebene des Wärmeverteilers stellt kein Problem dar, Nickel auf der Ebene zwischen Wärmeverteiler und Kühlkörper hingegen schon. Auch Aluminium ist hier ein Problem. Das Problem besteht darin, dass sich diese Materialien nur schwer löten lassen, was jedoch möglich ist. Ein hochaktives Flussmittel wie Indiums RSA oder Flussmittel Nr. 3 kann verwendet werden, um die vorhandene Oxidschicht aufzubrechen. Eine Goldschicht auf der Oberfläche trägt jedoch dazu bei, dass das Löten effektiv erfolgt. Indium empfiehlt, eine Goldschichtdicke von 50 Mikroinch nicht zu überschreiten, und rät, dass je dünner desto besser – in der Regel reichen 10 Mikroinch aus. Das Element Indium löst das Gold tatsächlich auf, oder anders ausgedrückt: Das Gold diffundiert in das Indium ein. Beim Löten bildet sich eine Indium-Gold-Intermetallverbindung. Dies ist eine spröde Schicht, und wenn zu viel Gold verwendet wird, kann dies zu Zuverlässigkeitsproblemen und Rissen in der Lötstelle führen. Zurück zu unserer ursprünglichen Frage: Warum sollte man hier Indium verwenden, und kann man Indium hier überhaupt einsetzen? Dies ist der häufigste Anwendungsbereich, in dem das Kriechen von Indium ein Problem darstellen kann. Das Kriechen kann jedoch akzeptabel sein. Indium kriecht nicht in einem solchen Ausmaß, dass es wie bei einer Pumpe herausquillt oder sich wie Knetmasse verhält. Das Ausmaß des Kriechens hängt vom ausgeübten Druck ab, d. h. von Bewegungen aufgrund des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) oder direktem Druck durch Klemmung, sowie von der Temperatur an der Grenzfläche. Liegt die Temperatur an der Verbindungsstelle weniger als 20 Grad unter dem Schmelzpunkt und sind gewisse Bewegungen zulässig – wie beispielsweise bei einer LED-Anwendung –, ist dies akzeptabel. Bei einer Laseranwendung rät die Indium Corporation jedoch in der Regel davon ab, reines Indium in diesem Bereich zu verwenden, und empfiehlt stattdessen eine Legierung wie Indium-Silber oder Zinn-Silber. Je mehr Silber der Legierung beigemischt wird, desto härter wird das Material. Bedenken Sie Folgendes: Reines Indium hat eine Leitfähigkeit von 86 W/m·K, einen Schmelzpunkt von 156 °C (Eutektikum) und eine Zugfestigkeit von 273 psi. Fügt man 3 % Silber hinzu, steigt der Schmelzpunkt auf 143 °C (Eutektikum), die Leitfähigkeit sinkt auf 73, die Zugfestigkeit steigt jedoch auf 800 psi. Noch besser: Fügt man 10 % Silber hinzu, liegt der Schmelzpunkt nun im plastischen Bereich von 143 bis 237 °C, die Leitfähigkeit sinkt auf 67, die Zugfestigkeit steigt jedoch auf 1650 psi. Betrachten wir nun SnAg mit einem Schmelzpunkt von 221 °C, einer Leitfähigkeit von 33 W/m·K und einer Zugfestigkeit von 5.800 psi. Was eignet sich am besten für Ihre Anwendung? Die Antwort hängt davon ab, was für Sie akzeptabel ist: Wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) ein Problem darstellt, wählen Sie einen geringeren Silberanteil; wenn die Temperatur ein Problem ist, sollten Sie auf Indium verzichten; wenn die Leitfähigkeit ein Problem ist, sollten Sie einen hohen Indiumanteil in Betracht ziehen.
Betrachtet man ein komprimierbares Metall auf TIM2-Ebene, so geht es nun um den Druck, die Temperatur an der Verbindungsstelle und die Ebenheit der Oberfläche. Bei einer komprimierbaren Schnittstelle wird natürlich kein Gold mehr benötigt, und es gibt keine Probleme mit Indium, das in direktem Kontakt mit Nickel steht. Allerdings können Kupfer und Indium im Laufe der Zeit eine intermetallische Verbindung bilden; die Oxidschicht auf dem Kupfer verhindert dies jedoch in der Regel. Tatsächlich haben wir in unserem Thermolabor dieses Phänomen nur beobachtet, als wir die Module über 1.000 Stunden bei 125 °C+ einbrennten. Selbst dann war das Auftreten dieses Phänomens vernachlässigbar. Wenn Sie nicht davon ausgehen, dass Sie die Schnittstelle 4–5 Jahre nach ihrer Herstellung nachbearbeiten müssen, würde ich sagen, dass dies kein Problem darstellt; tatsächlich verbessert es sogar die thermische Leistung und die Zuverlässigkeit. Eine Nachbearbeitung innerhalb von 1–2 Jahren ist kein Problem. Viele unserer Kunden verwenden bereits Indium in dieser Stärke als komprimierbare Schnittstelle, doch nur wenige sind sich bewusst, dass sie die Leistung tatsächlich verbessern können, wenn sie auf Heat-Spring™ umsteigen. Heat-Spring ist ein patentiertes Verfahren, das es uns ermöglicht, den Kontaktwiderstand des Metalls zu verringern, sofern der Druck mindestens 50 psi beträgt. Dadurch kann der Aufbau mit einer dünneren Bondschichtdicke auskommen und die thermische Leistung der metallischen Wärmeleitschnittstelle verbessert werden. Wie sieht es nun mit Kriechen an dieser Schnittstelle aus? Auch hier kann eine Änderung der Legierung das Risiko eines Kriechens beseitigen, doch der Wechsel von einer standardmäßigen flachen Indiumfolie zu einem „Heat-Spring“ verringert dieses Risiko noch weiter, da die Bondschicht bei Verwendung eines „Heat-Spring“ in der Regel deutlich dünner ist (im Durchschnitt etwa 0,003").
Zusammenfassend sind bei der Verwendung eines metallischen Wärmeleitmittels oder eines Die-Attach-Lötmittels folgende Punkte zu beachten:
• Wie hoch ist die Betriebstemperatur der Schnittstelle?
• Liegt diese Temperatur zu nahe am Schmelzpunkt des metallischen Wärmeleitmittels?
• Kann das Bauteil die Reflow-Temperatur eines Lötmittels mit höherer Temperatur, wie beispielsweise Gold-Zinn oder Zinn-Silber, verkraften?
• Ist die thermische Leistung der Schnittstelle ein Problem, d. h., wenn Sie die Leitfähigkeit der metallischen Wärmeleitpaste durch Verringerung des Indiumgehalts ändern, beeinträchtigen Sie dann die Leitfähigkeit des gesamten Aufbaus? Beispielsweise bei einer Verringerung von 86 W/mK auf 67 W/mK.
• Ist Kriechen wirklich ein Problem? Wenn Ihr Bauteil eine geringe Bewegung zulässt, ist die Verwendung von Indium unproblematisch. Sollte bereits eine geringfügige Bewegung zu Problemen führen, empfehlen wir eine Indiumlegierung anstelle von reinem Indium.
Letztendlich ist die Indium Corporation dazu da, Ihnen zu helfen. Auf unserer Website finden Sie weitere Informationen, darunter unsere Online-Liste der Legierungen, die Ihnen bei der Auswahl des besten thermischen Schnittstellenmaterials aus Metall helfen soll.
